基于超声波技术的汽车油耗测试影响因素分析

齐 红

(黑龙江省网络空间研究中心，黑龙江 哈尔滨 150050)

1 汽车超声波油耗测试数学模型

图1 超声波时差法汽车油耗测试原理

在燃油管路待测截面上平行地布置多条声路，声路速度为平行条带内的平均流速，根据条带的权重系数(δi)，采用加权求和法计算发动机供油管路中的燃油流量(Q)。

(1)

式中：δi由规程PIC18和IEC41确定，针对Gauss-Jacobi积分方案

(2)

2 汽车超声波油耗测试主要影响因素分析

2.1 温度变化的影响

(1)温度变化影响超声波流量传感器几何尺寸

测试汽车油耗时，需保持超声波流量传感器接触的被测管路表体的横截面和超声波换能器声程不变，但温度变化会引起管道横截面积变化，当管路内径有5%的误差时，会引起0.1%～0.15%的测试误差；温度变化还会导致超声波换能器声程变化，使换能器出现定位误差。为此，应选热胀冷缩效应较差的换能器表体材料，并采用定量分析法对换能器壳体几何尺寸进行温度补偿。

(2)温度变化影响超声波换能器最佳工作频率

如图2所示，温度升高，换能器最佳工作频率下降，温度在-25～65 ℃范围内时，换能器最佳工作频率与温度变化呈线性关系，温度超过65 ℃，最佳工作频率明显下降。换能器电压峰值随温度上升，先升高然后下降，-25 ℃时，换能器最佳工作频率约为208.5 kHz。随着温度上升，换能器最佳工作频率相应降低；当温度为65 ℃时，超声波换能器最佳工作率频率接近195 kHz，此时换能器电压峰值最大。换能器工作在最佳工作频率点附近，电压幅值相对较高，超声波换能器性能得到充分发挥。

图2 温度变化对换能器工作性能的影响

2.2 超声波流量传感器接收信号强度对称性与均匀性分析

燃油在供油管路中以层流或紊流状态流动时，超声波流量传感器顺流或逆流的接收信号强度存在非对称性和非均匀性。

(1)层流状态。超声波顺流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtcs)为

(3)

超声波逆流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtcn)为

(4)

可见，Δtcs>Δtcn。

(2)紊流状态。超声波顺流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtws)为

(5)

超声波逆流传播时，超声波沿中心线和以一定角度传播至接收面的时间差(Δtwn)为

(6)

可见，Δtws>Δtwn。

无论超声波传输方向与燃油流动方向是否一致，超声波至接收中心及其周边的时间都存在差异，使超声波流量传感器接收能量不集中，接收信号强度不对称和不均匀性，接收信号信噪比降低，影响收发信号处理。

改进超声波换能器压电元件设计，将压电元件和虚拟压电元件组合使用，通过实验对比分析，改进后接收信号的相对偏差由135%降至49%，接收信号强度的相对偏差由286%降至51%，有效地改进了接收信号时间差与强度的对称性和均匀性，提高信噪比，有助于提高汽车油耗测试精度，见图3。

图3 超声波接收信号数据对比1为接收信号强度；2为接收信号时间差……改善前 ——改善后

2.3 超声波顺流、逆流历经时间测试误差

设换能器A和换能器B从接收到驱动信号，到发射出超声波信号的过程中引入额外时间分别为tfa和tfb；从超声波到达换能器表面后传递出信号，给处理电路的转换过程中引入的额外时间分别tca和tcb；信号处理过程中，信号在两个电路通道延时而引入的额外时间分别为tya和tyb

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时间差为

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互换换能器位置，时间差为

(10)

可见，互换超声波换能器，时间差不同，测量结果不同。

tya和tyb无法测量，采用对称电路使tya和tyb尽可能相等；切换电路通道，将两次测量结果相加，消除电路延迟影响。切换电路通道历时极短，温度不会骤变，tya和tyb变化可忽略，以此消除温度变化导致的电路延迟。将静态时测得的tfa和tfb、tca和tcb归零，实现不同测试条件或互换换能器引起的误差抵消。

2.4 燃油在供油管路中的流速分布

(11)

φ是供油管路中燃油雷诺数(Re)和管路壁面粗糙度(Ra)的函数。

光滑管的Prandtl方程

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粗糙管的Colebrook方程

(13)

平均流速积分

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层流状态下，瞬时燃油流速和汽车油耗可直接求得；紊流状态下，需要计算φ。燃油管路内表面的粗糙度的变化范围：0.5 μm≤Ra≤30 μm，计算φ、δq，如表1所示；过渡状态下，需要采用插值法计算φ。

表1 δq和φ的关系

3 结束语

基于汽车超声波油耗测试原理，构建智能型汽车油耗测试数学模型，进行油耗测试影响因素分析。环境温度改变，超声波换能器最佳工作频率改变，换能器工作在最佳工作频率点附近，超声波换能器性能得到充分发挥；超声波流量传感器结构尺寸随环境温度变化而发生变化，需要合理选择材料，采用定量分析法进行温度补偿；通过改变换能器结构，可改善超声波流量传感器接收信号强度不均匀和不对称特性；采取换能器互换、合理布线等措施，可消除超声波顺流和逆流历经时间测试存在的误差；基于流体力学理论，引入流量修正系数，可消除燃油在供油管路中流速分布不均匀的影响。此外，检测阈值、噪声、供油管径伸缩、燃油清洁度等因素，也会影响到汽车油耗测试精度，有待于进一步分析与优化。